La conception architecturale et la consommation énergétique

Le concept énergétique du bâtiment introduit à une démarche systématique incluant l'élaboration de certaines variations. Elles sont de but de limiter le besoin en énergie d'une construction et de ses installations. Aussi, de minimiser le recours aux énergies fossiles. Ce concept repose sur des concepts architecturaux et techniques cohérents en fonction des besoins des utilisateurs, des opportunités et des contraintes présentées par l'environnement du projet et parfois par lui-même.

 L'indice de dépense d'énergie ( IDE ) :

Il s'agit d'un indice pour comparer la consommation d'énergie du bâtiment. Cet indice-là résulte de la division de la consommation annuelle d'énergie totale (de tous les agents

29 énergétiques) exprimée en MJ¹² par la surface brute de plancher chauffé (murs inclus). Le tableau suivant présente une comparaison entre deux indices de dépense d'énergie en Suisse et en France. Les villas construites en suisse ont la large dispersion des valeurs, allant de presque zéro à plusieurs milliers de méga joule par mètre carré. Par contre celles de la France ont un indice moyen supérieur à l'indice moyen de toutes les villas en Suisse !

IDE en Suisse (MJ/m²) IDE en France (MJ/m²)

Tableau 1.3. Comparaison entre deux indice de dépense d'énergie en Suisse et la France . Source: (Gnansounou E.,2014) .Réadapté par (auteur) .

I.3.1.2.2. Rappel sur la physique de bâtiment : I.3.1.2.2. 1. La capacité thermique :

Les thermiciens définissent la capacité thermique comme l'agitation aléatoire des molécules composantes de la matière. Cette action est mesurée par la température. Une fois la température dans cette molécule augmente, on peut mesurer la chaleur.

I.3.1.2.2. 2. Le mode de transfert de la chaleur dans un bâtiments :

La chaleur passe d'un milieu chaud vers un autre froid. Ce déplacement est à la base de quatre modes de transport : la conduction, la convection, le rayonnement et l'évaporation. La conduction c'est une transmutation de proche en proche dans l'agitation moléculaire, dans sa propre définition thermique. Plus précisément, c'est une transmission d'énergie calorifique à travers un corps sans le déplacement de la matière. Elle est résultante quand la chaleur s'écoule naturellement du milieu le plus chaud vers un autre plus froid.

La convection thermique est le transport de la chaleur. Ce transport est soit naturel ou forcé de la matière chaude vers une zone froide ou vice versa. Plus de détail à cette définition, c'est une transmission d'énergie calorifique entre un corps et un fluide.

12: Mègajoule.

30 Le rayonnement est une transmission de la chaleur entre deux corps à des températures différentes sans le déplacement de la matière. Ce mode de transport calorifique est fait par un échange des ondes électromagnétiques. L'évaporation c'est le passage de l'état liquide à un autre gazeux par un échange thermique avec l'air ambiant. Il se fait par conduction et convection.

Tableau 1.4. Les valeurs moyennes des échanges thermiques superficiels intérieur (hi) et extérieur (he).Source:

(Guide technique des bâtiments à usage résidentiel équipés , Chapitre 4 )

I.3.1.2.2. 3. Les flux énergétiques et différentes formes d'énergie dans un bâtiment :

Le bâtiment est le premier consommateur de l'énergie. Il absorbe 40 % de la consommation de l'énergie finale et rejette 36 % de CO2, selon des statistiques de l'Union¹³. Le diagramme de SANKEY nommé le diagramme des flux d'énergie base sur la représentation des flèches selon leur longueur. Elles correspondent à leur fluctuation, comme présente la figure suivante.

Paroi en contact avec : autre local , comble ou vide sanitaire.

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Figure 1.6. Présentation du diagramme de SANKEY. Source : (Ibid).

Pour avoir ce type des diagrammes, il faut se baser sur un support des calculs de l'ensemble des pertes thermiques par conduction et convection par l'enveloppe du bâtiment.

Ensuite, de déterminer les gains internes et les gains solaires utiles. Plus de ça, il faut déterminer les différentes pertes des installations soit de chauffage ou de refroidissement. S’il y a lieu, d'ajouter les calculs des autres besoins selon des périodes considérées.

I.4. L'intégration des énergies dans le bâtiment :

I.4.1. La réglementation thermique est une victoire en domaine de construction ? :

Dès la première crise pétrolière en 1973, la réduction de la consommation énergétique dans un bâtiment neuf présente le grand souci. Or, l'amélioration de la performance énergétique des bâtiments comme objectif est née en 1974. Cette amélioration s'intéresse dans ces premiers temps par l'enveloppe du bâtiment, puis aux équipements des bâtiments neufs.

Dans ces derniers temps, aux bâtiments existants .

Les réglementations thermiques sont les outils principaux pour arriver à cette intervention. Elles s'évaluent de 1974 à 2012 ou cette dernière marque une rupture par rapport aux précédentes. La bonne nouvelle c'est que la prochaine réglementation thermique est prévue en 2020; sous l'intérêt de la réalisation des bâtiments à énergie positive.

 En 1974 :

L'apparition de la première règlementation thermique pour les logements, en 1974. Dans cette règlementation, l'isolation est limitée par le coefficients de déperditions (G) .

32

 En 1976 :

L'apparition de la règlementation thermique pour les bâtiments tertiaires, en 1976. Cette règlementation oblige l'insertion de l'isolation extérieure. Cette dernière est limitée par le coefficient (GI).

 En 1982 :

Dans le secteur résidentiel, les apports solaires et internes ont été pris en charge à travers un calcul des besoins selon le confession des besoins.

 En 1988 :

La réglementation thermique cette fois-ci s'intéresse à l'enveloppe et la performance des équipements de chauffage aussi de l'eau chaude sanitaire. A la base d'un calcul de la consommation conventionnelles d'énergie, elle les valorise respectivement par ces deux coefficients (GV) est (BV).

 En 2000 :

La réglementation thermique impose les mêmes exigences que celles de l'habitat au secteur tertiaire. Ces exigences-là sont sur le confort d'été, les performances minimales de bâtiment et ses composants par l'apparition du coefficient U_bat, la suppression des coefficients (GV) et (BV). La consommation est exprimée par l'énergie primaire et l'électricité a un coefficient de conversion de 2,58.

 En 2005 :

Cette réglementation impose le recours au solaire thermique pour produire l'eau chaude sanitaire et limiter l'usage de la climatisation. Aussi, elle impose une valeur limitée de la consommation globale d'énergie (Cep _réf). Cep _max est imposé pour les logements. Son but principal est l'amélioration de la performance énergétique d'une construction en 15 % (Veisseire M. et all., 2009).

Le label est une étiquette, une marque spéciale créée par un par un syndicat professionnel ou un organisme parapublic. Il est apposé sur un produit destiné à la vente.

Aussi, il est : " Ce qui peut être considéré comme la preuve de la haute qualité de quelqu'un,

33 de quelque chose "¹⁴. Dans le domaine de la construction et l'habitat durable, un label se définit comme : "une marque spéciale introduite par une organisation professionnelle pour identifier et garantir l'origine d'un produit (par exemple le label BBC26) et son niveau de la qualité". (100 questions pour comprendre et agir : construction et habitat durable, 2012, p.30).

Les labels qui ciblent le critère énergétique sont issus de la réglementation thermique 2005. Leur but majeur est de préparer à la réglementation thermique 2012. Par un ajout de cinq niveaux de performance, la haute performance énergétique (HPE 2005), très haute performance énergétique (THPE 2005) HPE EnR 2005 encourage l'utilisation et le retour aux énergies renouvelables, THPE EnR 2005 s'intéresse par la diminution de la consommation d'énergie d'au moins 30 % et le BBC 2005.

 En 2007 :

L'apparition de la première réglementation thermique qui s'intéresse aux bâtiments existants et à la rénovation des anciennes constructions. En 3 août 2009, la loi Grenelle a fixé le dernier objectif en matière de la rénovation. Afin de réduire les consommations d'énergie au niveau des bâtiments existants à 38 % en 2020.

 En 2012 :

L'exigence de la consommation d'énergie primaire en bâtiments neufs est inférieure à 50 kW/h/m². an, en moyenne. Cette réglementation présente une rupture par rapport aux autres car elle vise à un abaissement de 50 % et plus en matière des besoins de chauffage. Plus de ça, elle impose des exigences moyennes.

I.4.2. L'intégration de l'énergie solaire dans l'habitat:

Dès le passé le besoin en énergie a été exprimé. Elle était mesurée par la puissance humaine multipliée par le temps, c'est la puissance de l'esclavage à l'époque par une production de 60 watts ; l'équivalent d'un esclavage énergétique (EE) . Avec l'évolution du feu et l'usage des animaux, elle avait augmenté à 14 kWh l'adéquat de 10 EE¹⁵.

14 :Dictionnaire de la Rousse.

15 : Esclavage énergétique.

34 En Moyen-âge, des nouvelles formes d'énergie ont été fournies en grâce à la découverte des moulins en vent et en eau . Au XVIIIe siècle, les principaux fournisseurs de l'énergie étaient : le bois, les moulins en vent et en eau . La création de la machine à vapeur par JAMES WATT a accru la consommation énergétique . La consommation de l'houille, le Charbon puis quelque années l'utilisation du courant électrique .

En XXe siècle, l'apparition de l'automobile a provoqué une explosion du trafic. À ce moment-là, la consommation du charbon et le pétrole est toujours en augmentation. En plus, la consommation due de la naissance du diesel, le kérosène et l'essence. Les pays très peuplés provoquent une croissance de la demande d'énergie à cause de la croissance économique, industrielle et le besoin du bien-être .

Aujourd'hui, on constate un grand saut de la consommation énergétique au niveau mondial. C'est un résultat d'un processus d'apparition de l'industrialisation et son développement excessif à la base de l'industrialisation du Charbon, l'hydrocarburants et l'électricité, le pétrole, le gaz, ...etc. Ce développement a introduit à une consommation irrationnelle de l'individu où des secteurs, à titre d'exemple l'Américain consomme 10,26 kWh et le Suisse 4,92 kWh, en 2009. Comme illustre la figure suivante.

Figure 1.7. La quantité d'énergie consommée par une personne en 2009.

Source: (histoire de la consommation d’énergie).

Des émissions des quantités importantes de CO2 et de Gaz à effet de serre résultent de la haute consommation d'énergie. À l’époque, les matières primaires fossiles sont limitées car le pétrole couvre la moitié de la consommation d'énergie aussi bien que le gaz. À présent, la

35 recherche des nouvelles sources des énergies est devenue nécessaire. C'est l'époque des énergies renouvelables !

I.4.2.1. Le concept de l'habitat :

Le mot habitat est défini dans les dictionnaires par la façon de se loger dans une ville où une région. On distingue : un habitat individuel, collectif .... etc. Par contre, le mot habitation désigne le lieu où l'on habite, où on se loge.

Notre identité et nos façons de vivre sont déterminées par notre habitat .Étymologiquement, le mot habiter désigne révéler sa manière d'être au monde .Son

origine est du mot latin "Héberge" qui voulait dire : tenir, posséder, occuper.

"Dis mois où tu habites; je te dirai qui tu es ", un témoignage que l'habitat parle sur la personne qui l'a façonné . L'habitat est préoccupé par quatre notions : la notion de chez soi, la notion d'appropriation, la notion de voisinage et celle du quartier .

Auparavant, le logement est au centre des préoccupations. La croissance urbaine de ce produit humain est incapable de supporter l'augmentation des habitations à cause de leurs besoins surtout celui d'habiter. Ce phénomène a provoqué une crise de logement . Maintenant, la recherche d'une solution est primordiale. C'est la période de la production en série. Cette production a provoqué une multitude des problèmes de l'habitat à cause de la marginalisation des concepts clefs dans la conception d'une habitation .

I.4.2.2. Les énergie renouvelables:

Figure 1.8. Les ressources des énergies renouvelables . Source: (Auteur) .

36 L'objectif de la mise en évidence des précautions est la réduction de la consommation énergétique accrue, dans le secteur résidentiel à l'horizon de 2050. Certains pays ont engagé pour réaliser l'objectif mentionné précédemment. À titre d'exemple, la France avec l'association HQE sous la direction de DOMINIQUE BIDOU, en 1996. Ensuite, la création du Grenelle de l'environnement en octobre 2007. Il est pour la valorisation et la sensibilisation sur la problématique environnementale .

L'Allemagne est intervenue par la démarche Passivhauss dont la consommation totale est de 120 kW/m²/an. Le cas de la rénovation, le programme Niedrigenergiehaus im Bestant est créé, il a une valeur inférieure à 50 %. En plus de, l'intégration d'un système de

financement des surinvestissements et la coopération imposée entre: architectes, ingénieurs, chercheurs, etc. À la présence et la réussite de l'aspect technique .

La suisse de sa part a inventé une association Minergie pour construire des bâtiments à basse consommation énergétique. Le label Minergie est conçu pour les constructions neuves avec une consommation de 42 kW/m²/an.

Aux Etat-Unies à l'aide du LEED®¹⁶, la phase de conceptualisation des bâtiments durables est facile. La performance environnementale des bâtiments est traitée par des différents systèmes dont le point convergent c'est l'évaluation de la consommation d'énergie dans une construction, l'eau sanitaire chaude et la qualité environnementale intérieure .

Figure 1. 9. Schéma rétrospectif des différents systèmes de la performance environnementale des bâtiments Source : (Auteur) .

16 :Leadership in Energy and Envirnmental Design.

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 L'énergie solaire :

Selon les statistiques de la consommation énergétique finale en Algérie, en 2005, consommation énergétique en Algérie est répartie en 7 % pour l'agriculture, 19 % pour l'industrie, 33 % pour le transport et 41 % pour le secteur du bâtiment. Le secteur résidentiel consomme 67 % des produits gazeux, 13 % de l'électricité et 20 % des produits pétroliers comme présente les figures ci-dessous .

Figure 1.10. La consommation énergétique dans l'Algérie par secteurs en 2005 . Source : (Consommation Energétique Finale de l’Algérie ,2005,page 03.)

En 2010, cette consommation est accru à 36% pour le transport, 40% pour l'industrie et 25% pour le minage. Comme illustre la figure dans la page suivante.

Figure 1.11. La consommation énergétique dans l'Algérie par sécteurs en 2010. Source : source Sonelgaz Biskra. Source : (Djelloul A. et all,2013 ,p. 114).

I.4.2.3. L'habitat durable :

L'architecture verte, l'aménagement écologique des sites, la limitation des perturbations des terrains, le contrôle de l'érosion et l'utilisation des matériaux recyclés sont les éléments encouragés par l'urbanisme durable. L'économie de l'énergie fut parmi ses principes primordiaux. Le bâtiment durable prend en considération l'impact de l'environnement sur la

38 construction par la nécessité de la prise en compte de ses préoccupations, son usage fonctionnel, son implantation, son intégration architecturale, et son confort aussi bien que sa dimension durable.

L'adaptabilité des bâtiments fut une philosophie du développement durable en architecture. Elle est mesurée à partir de leurs consommations des ressources énergétiques et leurs coûts de réalisation soit directs ou indirects. Un bâtiment durable dans sa propre définition : " une construction répondant adéquatement aux besoins de ses occupants, qui génèrent un impact environnemental limité et dont les coûts de construction et d’exploitation sont raisonnables " (Boucher, Blais et Vivre en ville, 2010).

Il existe certaines techniques pour obtenir une certification d'un bâtiment vert. Ces dernières basent sur des critères comme: l'installation des systèmes solaires ou éoliens afin d'assurer une bonne alimentation du projet en énergie, l'aménagement de toit vert, la gestion des eaux de pluie, l'usage des matériaux disponible sur le site avant d'utiliser les matériaux récupérés et la gestion durable du chantier. Ce critère-là minimise l’envoi des déchets de construction et de démolition à des sites d’enfouissement. Sachant que, ces techniques peuvent être utilisées dans le cas d'un bâtiment neuf ou le cas d'une restauration.

I.4.3. Le comportement énergétique d'une enveloppe d'un bâtiment résidentiel : I.4.3.1. Définition d'une enveloppe d'un bâtiment :

L'enveloppe d'un bâtiment est définie par les dictionnaires comme étant la pièce qui protège une autre pièce de l'extérieur . Elle porte plusieurs définitions selon son domaine d'application (Herant P., 2004). Elle est l'interface d’un bâtiment, la zone de la liaison, l'espace de transition entre les différents milieux. Il est difficile de la définir car chaque domaine la donne sa propre définition . L'enveloppe du bâtiment a différents aspects :

 Les thermiciens la considèrent comme une zone de transition entre l'ambiance intérieure et l'environnement extérieur .

 En architecture, c'est une surface de contact entre le bâtiment est son entourage. À partir de cette surface, on obtient une lecture contextuelle de ce bâtiment.

 L'enveloppe lie entre les composantes passives et les systèmes actifs, en domaine de l’ingénierie.

 L'enveloppe est l'objet le plus important pour le chef de projet. Pour cela, elle a un processus spécifique durant sa réalisation.

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 C'est l'élément qui caractérise le bâtiment. La cause principale qui pousse les législateurs d'intégrer les technologies performantes disponibles et des exigences réglementaires généralisables.

 L'occupant définit l'enveloppe comme l'ensemble des parois qui l'entourent, cet ensemble constitue un facteur d'esthétique de se bâtiment.

Globalement, c'est l'élément séparateur entre l'extérieur et l'intérieur d'une construction.

Il s'agit d'une protection d'un bâtiment comme elle est influencée par des paramètres multiples car elle présente le contexte de chaque bâti. L'enveloppe est l'élément le plus important dans le projet architectural.

I.4.3.2. Les exigences d'une façade aux quelles doit faire face :

Une façade se compose de plein et de vide, de vitrage, des protections solaires et protection contre l'éblouissement. Ces composantes-là ont un contact direct avec le rayonnement solaire de l'extérieur. À l’intérieur, cette composante assure un éclairage, une vue et parfois elle provoque un éblouissement . Aussi, elle doit faire face à la température de l'air extérieur ; la raison d'installation d'une isolation thermique, des fenêtres et des protections solaires .Ainsi, de placer des masses d'accumulation pour assurer une température ambiante à l'intérieur du local aussi. Ainsi, la façade d'un bâtiment est responsable de la qualité de l'air à l'intérieur de la pièce par l'aération à partir de la fenêtre et les appareils intégrés dans la façade. Cette dernière assure une protection phonique et une autre de convection dues respectivement des sources phoniques et des vents . Le schéma ci dessous explique à quoi une façade doit se faire face.

40

Figure 1.12. Les exigences d'une façade aux quelles doit faire face.

Source : (La bonne enveloppe . La pierre suisse et sa force naturelle)

41 RI.4.3.3. La conception thermique de l'enveloppe d'un bâtiment:

De but de bien concevoir une enveloppe d'une maison durable il faut suivre ces précautions extraites des différents livres de l'habitat durable:

 Réduire les surfaces de murs extérieurs et de la toiture .

 Utiliser le grenier comme espace-tampon entre l’extérieur et l’intérieur du bâtiment.

 Utiliser le sous-sol ou le vide sanitaire comme espace-tampon entre l’intérieur et le sol.

 Prévoir des conduits d’air pour la récupération naturelle ou mécanique des gains de chaleurs internes.

 Centraliser les sources de Chaleur à l’extérieur du bâtiment .

 Utiliser un vestibule ou un écran protecteur du vent à chaque entrée.

 Placer les espaces peu utilisés, les zones de rangement, les services et le garage (Création d’un espace tampon climatique)

 Subdiviser l’intérieur (réaliser des zones séparées pour le chauffage ou la climatisation).

 Choisir les matériaux isolants pour contrôler les pertes de chaleur à travers l’enveloppe de bâtiments.

 Placer les pare vapeur (contrôler les pertes de chaleur à travers l’enveloppe du bâtiment).

 Mettre ou point des détails de construction de mur pour réduire l’infiltration et l’exfiltration de l’air .

 Choisir des matériaux à fortes capacités thermiques (contrôle de transfert thermique à travers l’enveloppe).

 Prévoir des dispositifs d’isolation pour le vitrage.

 Réduire les ouvertures sur les façades Nord et Ouest.

42 I.4.3.3.1. Rapport : surface/volume : (RSV)

C'est le rapport entre la surface extérieure de l'enveloppe d'un bâtiment et le volume protégé par cette enveloppe. Il est de but de comparer les différentes formes en terme de leurs efficacités. Un bâtiment compact implique un RSV faible. C'est-à-dire, il se caractérise par une faible perte de la chaleur .

Ce rapport-là est spécifique que pour la surface extérieure de l'enveloppe d'un bâtiment car elle est la plus exposée aux variations des températures et des vents .Il n'exprime jamais la performance de l'usage de l'espace habitable.

Figure 1.13. L'influence du rapport de la surface de l'enveloppe (A) sur le volume d'une chambre (V) sur

l'énergie primaire dans une chambre selon des différentes qualité de l'isolation . Source : (Michael Bauer, .2007.p73).

I.4.3.3.2 Rapport : surface de l'enveloppe/la surface de plancher : (RSSP)

Ce rapport-là est créé de but de bien déterminer les plans d'un bâtiment .Un plan efficace veut dire un RSSP faible.

I.4.4. Comment réduire la consommation énergétique dans un bâtiment par son enveloppe ? La réduction de la consommation énergétique dans une construction résulte du recours

I.4.4. Comment réduire la consommation énergétique dans un bâtiment par son enveloppe ? La réduction de la consommation énergétique dans une construction résulte du recours